柴家峽紅層軟巖原位工程特性的空間分布特征

楊春景　張迪　孫海楓

摘 要：為了獲得黃河上游第三系紅層軟巖承載力和變形參數沿水平向及垂直向的變化規律，利用旁壓試驗和平板載荷試驗對分布于柴家峽水利樞紐的紅層軟巖展開研究。 結果表明：紅層軟巖的地基承載力和變形參數在較小水平距離的范圍內有較大變化，不同水平位置的試驗結果與巖土體的埋深、含水率及風化程度等有關;在同一水平位置處的承載力和變形模量，沿垂直向深度呈線性上升的規律，物理化學風化和地應力作用使得地表與深層巖體的承載力及變形特征有所差異。研究結果揭示了紅層軟巖的工程特性具有明顯空間變異性的特點，導致跨度較大的構筑物布置在紅層軟巖地段時常會產生不均勻沉降。

關鍵詞：紅層軟巖;旁壓試驗;平板載荷試驗;工程特性;空間分布特征

中圖分類號：TV223.1?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.024

Study on Space Distribution of In-situ Engineering Parameters of Red-Bed Soft Rock in Chaijiaxia Area

YANG Chunjing1，2， ZHANG Di1， SUN Haifeng3

（1.Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng 475004， China;

2.Kaifeng Yellow River Civil Engineering Experimental Center， Kaifeng 475004， China;

3.Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu 611130， China）

Abstract：? In order to obtain the vertical and horizontal parameters of the bearing capacity and deformation characteristics of soft rock in the Chaijiaxia area， the soft rock of a dam foundation of diversion channel was studied based on the pressuremeter tests and plate load tests. The results show that the bearing capacity and deformation parameters of soft rock in red-bed vary greatly in a small horizontal distance， and increase linearly along the depth vertically. And the test results are related to the depth， moisture content and weathering degree of rock and soil. The modulus of deformation can be obtained from the modulus of pressuremeter tests at different depths by means of the structural coefficient. Weathering and stress states make the bearing capacity and denaturation characteristics of surface and deep rock mass are various from each other. The research results reflect the spatial distribution characteristics of mechanical and deformation characteristics of soft rock in red beds，thus the uneven settlement of structures with large span often occurs in red-bed soft rock. The test results can provide a certain reference for the selection of design parameters of related strata and also provides a reference for the formulation of relevant formation in-situ test scheme.

Key words： red-bed soft rock; pressuremeter test; flat loading test; engineering characteristic;spatial distribution characteristics

第三系紅層沉積巖在我國西南、西北地區分布相當廣泛，是在黃河上游地區基礎工程建設中經常遇到的主要特殊巖土體類型之一[1-2]。該類型的巖石是在干旱、半干旱和高溫環境條件中形成的巖土體，其顏色主要呈紅褐色，巖性偏軟，力學性質較差，強度和剛度較低，沉積巖的類型主要包括泥巖、泥質砂巖、砂巖、砂質泥巖和砂礫巖等， 產狀主要為互層狀， 統稱為紅層軟巖[3]。受風化程度、氣候條件、地形、新構造運動與水文地質條件等因素影響，不同地區的巖土體性質也存在明顯差異性[4]。紅層軟巖是一類具有特殊物理力學性質的軟弱巖體， 在開挖、卸載和暴露后容易受到降雨等氣候影響， 使巖土體的強度參數和工程地質特性產生較大變異[5]。

在紅層軟巖分布地區建設混凝土壩，由于紅層軟巖強度低，工程穩定性差，力學參數變異性大，因此其取值對于水利工程的安全性及經濟性影響巨大。紅層軟巖地層地基沉降變形非常復雜多樣， 與巖土體力學和變形特性、地基處理方法、地基回填高度、回填速度和控制沉降的方法等因素有關。在天然的巖土體地基上，巖土體力學性質、構造、結構、完整度和風化程度等往往決定著工程穩定性[6]。巖土體原位測試技術是一種利用試驗設備直接對地基土進行測試的方法，避免了取樣、運輸和制樣等過程的影響，相對于室內試驗更真實，是巖土工程勘察中的重要測試手段[7]。前人基于原位試驗對紅層軟巖開展了大量試驗研究，取得了一系列研究成果。劉振宇等[7]通過載荷試驗發現紅層軟巖的地基承載力特征值較小，工程沉降量較大;劉穎等[8]基于原位剪切試驗和平板載荷試驗的結果，指出紅層軟巖的強度代表值與實際情況有一定差異，突出了原位試驗的可靠性;胡啟軍等[9]利用原位剪切試驗對紅層泥巖樁基承載力的計算方法進行了修正。以上利用原位測試技術對紅層軟巖進行的研究，主要集中在一個測試位置的工程特性探測，關于空間位置對試驗結果的影響研究并未涉及。此外，有關研究表明紅層軟巖受分布位置、風化程度和地下水的影響，其力學性質的空間分布具有很強的不均勻性與各向異性[10-11]。當跨度較大的水利樞紐構筑物布置在紅層軟巖地段時，地基常會產生不均勻沉降，導致結構開裂等嚴重病害[12]。因此，開展紅層軟巖原位工程特性的空間分布特征研究對揭示該地區工程特性分布特征和選取合適的設計參數具有重要意義。

本試驗在柴家峽水利樞紐的紅層軟巖地層上進行，分別沿水平向和垂直向開展旁壓試驗和平板載荷試驗，獲得了不同水平距離和埋深點的承載力及變形參數，綜合這兩種試驗的結果，對柴家峽水利樞紐紅層軟巖原位工程特性的空間變形性進行評價，旨在為相關地層紅層軟巖的原位試驗方案和工程參數選取提供參考。

1 工程地質條件與原位測試方法

1.1 巖層概況

試驗場地位于甘肅省蘭州市，地處黃河上游龍羊峽至青銅峽河段，柴家峽河段沿岸西緣，其地層條件復雜，場地附近未見斷裂構造，巖體構造比較穩定。上覆較淺的第四系坡積土，土質疏松， 垂直向的節理發育;其下伏的深厚基巖是第三系沉積紅層軟巖， 巖性主要有泥巖、泥質砂巖、砂巖、砂質泥巖和砂礫巖等，產狀主要為互層狀，產狀相對平緩，遇水易崩解、泥化。巖石鉆孔取得芯樣見圖1，物理性質的室內試驗成果見表1。圖2為柴家峽紅層軟巖坡體，可以看出該地區分布了深厚的紅層軟巖，便于開展原位試驗和鉆孔取樣。

1.2 試驗方案

為了研究紅層軟巖工程特性在空間位置的分布特征，在柴家峽水利樞紐壩基的不同水平位置和垂直位置布設試驗點，開展平板載荷試驗和旁壓試驗。試驗點的布置見圖3，其中：平板載荷試驗點主要沿壩基軸線分布，每隔40 m進行一次平板載荷試驗;旁壓試驗點沿地層深度方向分布，每隔2 m的深度進行一次旁壓試驗。從圖4可以看出相距幾十米水平位置處的紅層軟巖分布厚度有很大差別，證明了研究其工程特性空間變異分布特征的必要性。

1.3 測試方法

1.3.1 平板載荷試驗

采用面積為0.64 m2的剛性承壓板進行地基逐級施壓，測得加壓中的土層變形量與荷載值，從而得到天然土層的強度和變形參數[13]。試驗前先將承壓板放置于1 m深的探槽底部并鋪設厚度為20 mm左右的砂墊層進行地面找平。本試驗采用常用的沉降非穩定法，即快速法進行施壓，每級荷載施加后，分別隔15、15、15、15、30、30 min 測讀一次沉降，保證每級荷載維持2 h。試驗獲得軟巖地基上的4個點位的荷載—沉降量曲線，即P—S曲線， 按照相關規范確定地基承載力特征值和變形參數。

1.3.2 預鉆旁壓試驗

采用PY-3型預鉆式旁壓儀進行旁壓試驗。首先利用鉆機進行鉆孔;再將旁壓儀放置在預先鉆好的豎直孔內的指定位置進行加壓，使旁壓腔膨脹，由膨脹產生的壓力施加在孔壁進而使土體發生變形破壞;加壓過程中通過量測裝置獲取旁壓腔的壓力與土體變形值之間的關系，從而得到孔壁土體的承載力、變形性質等指標[14]。預鉆旁壓試驗可以從土體水平向應力、強度特性和地基承載力三個方面評價不同深度土體的工程特性。

2 試驗結果

2.1 平板載荷試驗結果分析

共進行6次淺層平板載荷測試，分別標記為H1～H6，試驗點沿渠道壩基軸線呈直線分布，相鄰點之間的距離為50 m。試驗結果如圖5所示，由6條P—S曲線可以看出沉降量均有明顯突變的情況，因此按照拐點法確定地基承載力特征值，即取直線段終點所對應的荷載值為比例界限，該比例界限所對應的荷載值為地基承載力特征值fak，結果見表2。

經過載荷板壓縮的土層既發生彈性變形又發生塑性變形，處于彈性變形階段的荷載與沉降量為線性關系。借鑒汪稔等[15]利用彈性理論得到的地基土變形模量E0求解方法，公式如下：

E0=ω（1-μ2）p0Bs（1）

式中：p0為P—S曲線比例界限對應的荷載值，kPa;s為P—S曲線比例界限對應的沉降值，mm;B為載荷板寬度，mm;μ為土的泊松比，取μ=0.3;ω為沉降影響系數，取ω= 0.8。

水平向分布載荷試驗得到的變形模量結果見表2。可以看出在不同位置的4個試驗點處，地基承載力和變形模量有明顯的差距，產生工程性質水平分布差異的原因與在不同位置處軟巖的厚度不均勻性有關。

2.2 預鉆旁壓試驗結果分析

旁壓變形曲線由初始階段、似彈性階段和塑性階段組成，對應著土體在變形過程中的3種不同應力應變狀態。其中：初始階段與似彈性階段的界限由初始壓力P0劃分，似彈性階段與塑性階段的界限由臨塑壓力Pf劃分，而塑性階段末端漸近線壓力被稱為極限壓力Pl。圖6是8條不同深度處（埋深6～20 m）的紅層軟巖旁壓曲線，相鄰點之間的間隔為2 m。

根據前人的研究，由試驗得到的地基承載力fak按照臨塑壓力法，由臨塑壓力Pf和初始土壓力P0求差獲得[16]。

fak=Pf-P0（2）

再根據文獻[17]的研究結果計算土體的變形模量E0，公式如下：

E0=αEm（3）

式中：Em為旁壓模量;α為相關系數，取1.515。

由預鉆旁壓試驗得到隨深度變化的軟土強度和剛度參數，見表3。

3 試驗結果分析

3.1 原位工程特性的空間分布特征分析

采用平板載荷試驗和預鉆旁壓試驗，把該地區在水平向和垂直向的典型地層作為原位試驗點開展試驗，對試驗結果分析獲得紅層軟巖的地基承載力和變形模量在一定水平距離和垂直深度范圍內的分布存在較大變化，見圖 7。其中，進行平板載荷試驗的紅層軟巖處于地面表層，進行預鉆旁壓試驗的試驗點處于鉆孔深度6～20 m的地層。綜合這兩種試驗的結果，對該地區第三系紅層軟巖原位工程特性的空間變形性進行評價。

從圖7中的承載力特征曲線可以看出在樁號K166+400和K166+440試驗點處的地基承載力特征值分別為327.9 kPa和392.1 kPa，從變形模量曲線可以看出在K166+400和K166+440試驗點處的變形模量分別為5.21 MPa和5.30 MPa，說明該處的地基承載力和變形特性較差。結合地質勘探資料可知K166+400和K166+440試驗點處紅層軟巖厚度較小，下臥白云質灰巖軟弱夾層，導致該處巖土體的物理力學性質較差。隨試驗點的樁號增大，紅層軟巖厚度逐漸變厚，地基承載力有明顯增大趨勢，在K166+500 和K166+495 試驗點的地基承載力比樁號 K166+400 處的地基承載力分別提高了60%和 66%，變形模量分別提高了56%和 63%。而樁號K166+520處的紅層軟巖厚度突減，其地基承載力特征值和變形模量也出現大幅降低。說明紅層軟巖在分布厚度與水平向的不均勻性，使得紅層軟巖地層的承載力和變形模量具有較大差異。

從圖8發現在紅層軟巖地層中，垂直向承載力和變形模量隨深度呈增大趨勢，其原因是在試驗深度范圍內的軟巖地層中， 在上覆荷載作用下，不同深度的地層應力狀態不同，深部地層的固結程度較好，從而提高地基承載力和變形特性。土層地基承載力特征值的均值fakm=758 kPa，變形模量的均值Em=10.1 MPa。從圖中可以看出地基承載力特征值和變形模量與深度成明顯的線性關系。圖中地基承載力特征值與變形模量的確定性系數都達到了0.92以上，說明地基承載力特征值與深度有較好的線性相關性，可以用線性公式對各深度的紅層軟巖地基承載力特征值和變形模量值進行預測。

fak（x）=24.450x+414.409（4）

E0（x）=0.904x+1.935（5）

式中：x為地層的深度，m;fak（x）為x深度下地層的承載力特征值，kPa;E0（x）為x深度下地層的變形模量，MPa。

式（4）和式（5）的線性擬合效果均比較好，確定性系數分別為0.954 5和0.926 5。從地層風化程度和應力狀態的角度可以解釋這種差異性，載荷試驗在地表進行，得到的是地表紅層軟巖的變形模量、地基承載力，而旁壓試驗所測試的是埋深6 m以下的紅層軟巖的變形模量、地基承載力。由于風化的作用使得地表巖體的結構相對深層巖體更為松散，深層巖體受到地應力的作用，其力學性質與地層埋深成正相關關系，因此通過平板載荷試驗得到的變形模量、地基承載力比旁壓試驗得到的結果小。

3.2 試驗結果的工程意義

本文的試驗結果說明柴家峽水利樞紐的紅層軟巖在水平向和垂直向的不均勻性對該地層的工程特性具有較大影響。紅層軟巖主要分布在峽谷、山坡和盆地等地質環境中，常有在幾十米范圍內分布厚度相差十米的獨特現象[18]。其橫向的分布厚度變化很大，力學行為受原始地貌與下伏基巖起伏的影響很顯著，導致巖體表現出的工程特性也存在很大差異。

基于這種特殊現象，本文采用原位測試手段定量評價了柴家峽紅層軟巖承載力和變形參數空間分布的規律，揭示了紅層軟巖分布地區的工程特性的空間變異性特點。當跨度較大的水利樞紐構筑物布置在紅層軟巖地段時，地基常會產生不均勻沉降，導致結構開裂等嚴重病害。在實際工程中，地基承載力特征值和變形模量是兩個重要的工程設計參數，直接決定了邊坡、壩基等工程安全系數的選取，考慮工程特性的空間變異性有利于防止地基的不均勻沉降。因此，本文的研究方法不僅為柴家峽水利樞紐的工程設計參數選取提供重要依據，也為其他相關地層原位測試方案的制定提供參考。

4 結 語

（1）以柴家峽紅層軟巖地層為研究對象，分析了地基承載力特征值和變形模量的空間分布規律，發現承載力和變形特性在水平向較小范圍內有較大幅度的變化，在垂直向的承載力和變形模量隨深度增加有增大趨勢。

（2）根據預鉆旁壓試驗結果，針對一定深度范圍內的承載力和變形模量提出了較簡便的擬合計算公式，在實踐工程中，對確定不同深度的承載力和變形模量具有一定參考價值。

（3）平板載荷試驗比預鉆旁壓試驗得到的變形模量和地基承載力明顯偏小，這是因為風化和地應力的作用使得地表巖體的結構相對深層巖體更為松散，應力狀態也有所差異。

（4）紅層軟巖地層具有相當明顯的水平不均勻性和垂直分層性，試驗測得地基承載力和變形模量在較小的范圍內有較大程度的變化。因此，在紅層軟巖地區進行大跨度水利樞紐的構筑物建設時，應注意其不同空間位置處的工程設計參數，以防止地基的不均勻沉降。

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【責任編輯 崔瀟菡】

收稿日期：2018-12-05

基金項目：四川省科技廳科技項目（2014JY0254）

作者簡介：楊春景（1981—），男，河北唐山人，講師，碩士研究生，研究方向為地基處理新技術、建筑材料實驗與檢測技術等

E-mail：linsu073@163.com